棉酚對映異構體生成機制并創制棉籽低毒新材料

　　Nature Plants在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心陳曉亞研究組撰寫的題為Dirigent gene editing of gossypol enantiomers for toxicity-depleted cotton seeds的研究論文。該研究鑒定并表征了棉花中控制左旋和右旋棉酚生物合成的關鍵蛋白，通過基因編輯技術清除左旋棉酚，獲得了低毒或無毒棉籽且對棉花抗蟲能力無顯著影響。該工作首次實現了通過基因編輯特異選擇化合物對映異構體，為復雜天然產物的不對稱合成開辟了新途徑，對作物遺傳改良和分子設計育種具有重要意義。

　　棉酚是棉花中重要的萜類植保素，廣泛存在于錦葵科棉屬植物中。它由兩分子半棉酚氧化偶聯生成，具有軸手性，形成的兩個對映異構體生物活性迥異(圖A)。其中，左旋棉酚對人類和非反芻動物具有生殖毒性，限制了棉籽中豐富的油脂和蛋白質的利用。雖然已培育出完全不含棉酚的棉花品種，但這些品種更易受到病蟲害侵襲。相比之下，右旋棉酚不影響哺乳動物精子的產生，但與左旋棉酚具有相似的抗蟲抗菌活性。因此，選擇性抑制左旋棉酚合成并保留右旋棉酚的棉籽，可在降低棉籽生殖毒性的同時保留其抗病蟲能力。

　　該團隊通過生物信息學分析，發現兩個引導蛋白(DIR)基因GhDIR5和GhDIR6與已知棉酚合成途徑基因共表達。與酶蛋白不同，GhDIR5和GhDIR6分泌到棉花腺體中，位于細胞外。GhDIR5和眾多DIR基因串聯排列在同一串DIR基因簇中(A04)，而GhDIR6孤立于另一條染色體上(D05)，且在空間上分離。酶活實驗顯示GhDIR6可控制右旋棉酚的生物合成，而GhDIR5控制左旋棉酚的生物合成(圖A)。研究顯示，通過CRISPR-Cas9介導的基因編輯技術敲除GhDIR5，可阻止棉籽中左旋棉酚的形成(圖B)，而右旋棉酚和其他結構類似的萜類化合物水平沒有顯著變化，因而棉花抗蟲性得以保留。與野生型棉籽相比，左旋棉酚含量降低的基因編輯棉籽對小鼠精細胞等細胞系的毒性顯著降低。此外，分子模擬和突變分析揭示了左旋和右旋棉酚控制蛋白的三個關鍵氨基酸殘基，在對映體選擇性中起到關鍵作用，同時，結合進化分析，推測負責左旋棉酚的DIR基因是從500萬~ 1300萬年前在棉屬植物演化、擴散過程中選擇而來，這正是嚙齒類動物大爆發的時間，推測嚙齒類動物的繁盛加速了具有抗生殖毒性的左旋棉酚及其控制蛋白的出現。

　　綜上，該研究鑒定到棉花體內控制棉酚軸手性的關鍵蛋白，通過基因編輯選擇性去除了對哺乳動物有害的左旋棉酚，不僅可以保持棉花病蟲能力，而且為棉籽蛋白和棉籽油的安全利用開辟了新途徑。該研究對利用合成生物學選擇性操縱軸手性異構體的形成具有重要的參考價值。此外，GhDIR5可用于工業化生產左旋棉酚，為制備抗精子、抗病毒和抗腫瘤藥物前體提供了新的技術路線。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、 國家自然科學基金等的支持。中科院昆明植物研究所、海南省崖州灣種子實驗室等的科研人員參與研究。

　　基因編輯GhDIR5降低棉籽生殖毒性。(A)棉酚由兩分子半棉酚氧化偶聯形成。GhDIR5和GhDIR6分別控制左旋和右旋棉酚生成。(B)GhDIR5基因敲除棉花株系的棉籽中左旋棉酚比例顯著降低。